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摘要：本文以港珠澳大桥珠海侧接线工程拱北隧道为例，采用专业火灾模拟软件FDS对双层隧道中某一层发生火灾情形进行模拟，根据模拟出的烟雾浓度、温度以及能见度等指标，选择合适的逃生救灾方案。本次模拟主要针对港珠澳大桥珠海侧接线工程拱北隧道逃生楼梯方案进行模拟。
关键词:拱北隧道;逃生;救援方案;模拟
Abstract: In this paper, take the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, Zhuhai side wiring project Beaconsfield tunnel for example, take professional fire simulation software FDS for simulation of a layer with double-deck tunnel fire situations, according to the simulated smoke concentration, temperature, and visibility indicators Select the appropriate escape disaster relief programs. The simulation focused on the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, Zhuhai side wiring project Beaconsfield tunnel escape stairs scheme for simulation.Key words: Beaconsfield tunnel; escape; rescue plan; simulation
中图分类号：U45文献标识码：A
1.工程背景
1.1拱北隧道在路线中位置
港珠澳大桥珠海连接线是连接港珠澳大桥、珠海市以及内地其它地区的重要干线公路，也是珠海市重要的过境干线公路之一。拱北隧道位于起点与南湾互通之间，为香港前往珠江西岸的必经之路，在线路中具有通行唯一性的特点，也将成为澳门通往珠海重要途径， 见图2。
图拱北隧道位置
1.2拱北隧道预测交通量
根据《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》报告，澳门市和珠海市有关单位考虑在人工岛增设澳门与珠海之间互通的口岸，届时拱北隧道行驶车辆由两部分组成，即港珠澳大桥主线交通量中香港与内地交通出行和澳门与内地交通出行。交通量预测结果见表1。
表1本项目预测末年（2035年）交通量流量与服务水平表
附注：根据《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》表3-30 。
表1中起点-南湾互通交通量即为拱北隧道预测交通量。从表1中可以看出，拱北隧道预测的年平均日交通量达到了78230pcu/d，按照现行的《公路工程标准》，六车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量45000~80000辆，说明将来拱北隧道的交通量很大，在连接三地的交通网络中占有重要地位。
1.3车型比例
根据《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》表3-36。
表2拱北隧道車型比例预测结果
附注：根据《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》表3-36。
从表2中可以看出，在2016年，拱北隧道通行车辆车型中集装箱车是通行的主要车型，所占比例达到43.2%，另外特大货、大货比例达到了23.3%（19.0%+4.3%），将近1/4的比例，这说明在隧道交通流中大车的比例很高。随着年限的增加，虽然集装箱车、特大货、大货比例会有所下降，小客车比例逐渐上升，如表中所示，在2035年，集装箱车比例仍然达到了36.4%，特大货、大货比例达到14.1%（11.5%+2.6%），在交通流中仍然占有很大比例，所以在对隧道运营安全进行分析时，必须充分考虑隧道的这一交通量车型比例特性。
1.4柴油车与汽油车比例
依据《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》报告预测结果，将来拱北隧道货车中柴油车辆占有绝对优势，小客车中柴油车辆较少，但随着柴油品质的不断提升，柴油相对于汽油更加环保、经济，柴油车的比例也会逐渐提高。根据欧洲汽车经验，通过技术改造柴油车综合性能极大提升，其逐步成为被产业化应用的各种动力机械中热率最高、能量利用率最好、最节能的机型。尾气排放也能满足最新的环保要求，所以未来对拱北隧道的通风影响并不大。
1.5热释放率的确定
热释放率（HRR）体现了火灾中能量释放的多少，是描述火灾过程的一个重要参数。在运用火灾模拟程序进行定量计算时，失火隧道内的温度、烟气生成量等参数都是以此为基础进行计算的。热释放率的选择与通风设计的目的有关，对公路隧道的土建、设备投资、营运费用都有很大影响。世界各国对车辆火灾热释放率的相应规定见表2-11
表2-11 车辆火灾热释放率一览表
我国目前尚未对汽车热释放率作出明确规定。《公路隧道通风照明设计规范》中提到：隧道排烟风速2m/s~3m/s，是按一般隧道火灾，产生20MW的热量控制的排烟风速取值；对于汽油车相撞产生500MW以上的热量，排烟风速要求5m/s以上，如以此设计很不经济，建议特殊车辆通过隧道可定时并由引导车开道。
《道路隧道设计规范》推荐的用于确定隧道安全适用的最大火灾热释放率如表2-12所示。
表2-12 车辆的火灾热释放率
注：进入隧道的重型车在有监护措施的情况下，火灾热释放率可按降低一档考虑。
上海几座已建隧道的热释放率取用值见表2-13。
表2-13 上海隧道中火灾热释放率的取值
确定隧道火灾热释放率时，要考虑的因素很多，而且大部分是非定量化的，因此要全面的考虑各种因素，准确地预报或设定火灾规模是不容易的。通过对世界各国公路隧道火灾的调研，对于禁止或限制油罐车及装有易燃、易爆危险品车辆通过的隧道，其火灾规模的确定以小客车和货车作为对象，一般将火灾规模分为3个等级，分别是：
A级：1辆小客车着火（相当于60L汽油）；
B级：1辆货车着火（相当于150L汽油）；
C级：2辆货车相撞起火（相当于300L汽油）。
根据上述相关试验或研究成果提供的热释放率，A级火灾的火灾规模约5MW，B级火灾的火灾规模约20~30MW，C级火灾的火灾规模约50~100MW。
考虑到拱北隧道重要的交通地理位置，结合隧道预测交通量大、货车、集装车比例高等特点，同时参考相关规范以及借鉴相似项目经验，项目组认为拱北隧道运营火灾设计当量应选择为50MW。
2.隧道火灾模拟
根据初步设计拟定方案，若拱北隧道采用双层方案，则隧道结构中没有普通隧道逃生用的横通道，需要设计不同的逃生救灾方案，这成为整座隧道防灾的重中之重。火灾产生的高温烟气在移动过程中，向周围不断辐射热量，对人员、结构造成损伤；同时由于火风压的作用，导致隧道内通风系统紊乱；浓烟使得隧道内的能见度降低，造成人员疏散时间延长，增大风险系数；含有有毒气体的烟雾会损害人的视力。因此，隧道火灾的危害性极大。
2.1双层隧道逃生通道设置
普通隧道的逃生救援主要采用在两平行隧道间设置横通道的方式，当火灾发生时，一侧车辆和人员可及时转移到另一隧道逃生。双层隧道不能像普通隧道那样设置横通道，国内外的做法主要是设置逃生滑梯，如武汉长江隧道、日本东京湾海底隧道等，或设置逃生楼梯，如崇明岛越江通道等以及专门用于单管隧道逃生救援的逃生竖井。
目前国内外工程界对于隧道间横通道设置间距并没有统一标准，只是针对具体工程具体分析。国内工程规范中也仅给出矿山法下公路隧道横通道设置的参考值250～500 m以及城市水下交通隧道规定的限值250～300 m。
本次模拟主要针对北京交科公路勘察设计研究院有限公司在《港珠澳大桥珠海侧接线工程拱北隧道逃生通道设置方案研究》中的逃生楼梯方案进行模拟。
2.2模拟情况说明
为对双层隧道内逃生救灾方案进行比较，项目组采用专业火灾模拟软件FDS对双层隧道中某一层发生火灾情形进行模拟，根据模拟出的烟雾浓度、温度以及能见度等指标，选择合适的逃生救灾方案。
本次模拟将通过火灾模拟软件FDS进行隧道火灾建模，收集发生火灾时隧道内的温度、能见度与CO浓度的变化情况，从而得到危险条件临界时间Tfire。通过分析隧道人员的疏散特征，确定人员安全疏散时间Tevacuate，将危险条件临界时间与人员安全疏散时间进行比对，以Tfire>Tevacuate为安全判定标准，从而确定设计火灾当量下，双层隧道中逃生方案的合理性。
a）模拟软件
本模拟采用专用火灾模拟软件FDS进行模拟。FDS软件是由美国标准与技术研究所（NIST）开发的，用于预测在拟定的最不利的可信设计火灾下所导致的火灾环境。FDS是以大涡模拟（LES）为基础的三维计算流体动力学软件（CFD），可以模拟火灾湍流流动过程。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。由于FDS程序是开放的，其准确性得到了大量试验的验证。因此，在火灾科学领域得到了广泛的应用，现主要应用于隧道（公路、铁路）、机场、剧院、核电厂及大型厂房等的火灾及预防的数值模拟，是火灾场景模拟的主要软件。
b）模型
FDS基本形状只能采用长方体，由于双层隧道采用明挖时结构接近长方体，所以采用FDS模拟是可行的。
隧道长度采用1000m，断面尺寸采用设计资料中尺寸，模型网格采用1×1×1m，火灾当量采用50MW，隧道内风速分1.5m/s和3m/s进行模拟，考虑到城市隧道的重要性、交通组成复杂、交通量大以及发生火灾时现场混乱等特点，模拟的场景是发生火灾后，下游发生交通阻滞，有人员向下游逃生的情景。
模型见图2-32，模型内景见图2-33。
图2-32 火灾模型
图2-33 隧道内景
2.3人员逃生判据及时间
a）人员疏散速度
各类人员的平面行走速度取值：成年男性，1.25 m/s；成年女性，1.0 m/s；儿童，0.80 m/s；老人，0.60 m/s。人流平均行走速度为0.98 m/s，约为1.0 m/s。考虑到火灾发生时，由于即将受到惡劣环境威胁，疏散人员可能加快步速甚至奔跑，同时考虑到人员惊恐、疲劳等因素，认为疏散人员进入逃生救援通道前的疏散速度为1.20～2.00 m/s。此外，研究表明，能见度的降低对人员疏散速度有一定程度的影响，当能见度低于可承受标准（5 m）时，人员在隧道内疏散速度约降低至0.50 m/s。所以人员疏散速度取为1.2m/s。
b）人员体积
根据文献资料人员体积数值可取为：成年男性，0.52 m(宽)×0.32 m(厚)×1.75 m(高)；成年女性，0.46 m(宽)×0.28 m(厚)×1.65 m(高)；儿童，0.38 m(宽)×0.24 m(厚)×1.20 m(高)；老人，0.48 m(宽)×0.30 m(厚)×1.60 m(高)。
c）疏散通道有效宽度
有效宽度是疏散通道被实际利用的那部分宽度。由于隧道两侧可能放置一些障碍物；人员沿隧道行走时，出于本能也总是习惯于与边墙保持一定的距离；此外人员在行走时，摆动的双臂，也要求与边墙保持一定的距离，因此在疏散通道或出口的边界存在一个不能被人员疏散利用的边界层。在进行疏散计算时应扣除边界层的宽度。研究结果表明，疏散通道的有效宽度，是从距离边墙150～200 mm处算起。
d）人员逃生时间Tevacuate
从火灾发生到人员疏散结束，一般要经过三个时间段：探测时间Tdct、反应时间Tresponse以及行动时间Ttravel。因此从火灾发生到人员全部疏散为止，其总的疏散时间为
Tevacuate=Tdct+Tresponse+Ttravel（1）
人员疏散的安全性基本判据为
Tfire＞Tevacuate（2）
在隧道中每个可能受到火灾威胁的区域都应满足式(1)和(2)。可以看出， Tfire越大，Tevacuate越小，则人员安全性越大，反之，安全性越小，甚至不能安全疏散。
从大量行为反应统计研究可知，由于着火车辆内人们可很快直视火源，其探测及行为反应总时间可取平均值为60 s，取着火车辆内人员探测及行为反应总时间为60s。离车门最远的人员疏散时间在座椅密集的车辆内，人的行走比较困难。不同人的行为特点不同，本文以正常人情况考虑。研究表明，人员在车内的疏散速度为0.2～0.4 m/s。则在大巴车内最后人员的疏散时间为50s~100s。这样人员从探测火灾到逃离车辆的时间约为110s~160s之间。
2.4危险条件临界时间
由于人在烟气中的能见度下降，人们被迫在高温和含有毒气体的环境中延长疏散时间。对于隧道这种狭长空间，可取10m作为人眼特征高度处烟气危险临界能见度。当烟气界面下降到人眼特征高度时，对人的危害将是直接烧伤或吸入热气体引起的。当温度≤80℃时人员有生存可能性；温度＞80℃具有潜在危险甚至死亡，因此可用80℃作为人眼特征高度处烟气危险临界温度。当界面低于人眼特征高度时，也可根据其中有害燃烧产物的临界浓度判定是否达到了危险状态，例如当CO浓度达到2500×10－6就可对人构成严重危害。
取以上3个临界条件中最先达到的那一项作为隧道火灾危险临界条件判据，根据相关文献资料，取1.5m为人眼特征高度平均值。
由危险条件临界时间可从FDS模拟结果中计算出Tfire。
2.5模拟结果
a）临界风速
如果通风量足够，则将所有的热气流流向下风方向；如果风量不足，上层的热风流将相反于机械通风的方向流动，这种现象即为“回流现象”。为避免产生回流现象，使火灾烟雾顺着下游方向扩散的最小风速称为“临界风速”。
通过FDS模拟结果，风速在3m/s时，不会出现烟雾“回流现象”，所以认为3m/s可以作为临界风速，见图2-34~2-37。
图2-34 风速v=3m/s，t=30s时烟雾弥漫图
图2-35 风速v=3m/s，t=80s时烟雾弥漫图
图2-36 风速v=3m/s，t=100s时烟雾弥漫图
图2-37 风速v=3m/s，t=200s时烟雾弥漫图
b）CO浓度与烟雾浓度
由于FDS中烟雾浓度与CO浓度存在一定的比例关系，因此可以采用烟雾浓度间接反映CO浓度，烟雾随时间的弥漫见图2-38~图2-42。
图2-38 风速v=1.5m/s，t=30s时烟雾弥漫图
图2-39 风速v=1.5m/s，t=60s时烟雾弥漫图
图2-40 风速v=1.5m/s，t=100s时烟雾弥漫图
图2-41 风速v=1.5m/s，t=150s时烟雾弥漫图
图2-42 风速v=1.5m/s，t=200s时烟雾弥漫图
隧道内人体高度（h=1.5m）烟雾浓度随火源距离变化情况见图2-40。从图中可以看出，火灾后，在人体高度1.5m处，火源附近烟雾浓度很小，说明在火源附近以火焰燃烧充分，烟气主要沿隧道拱顶蔓延，人体高度处烟雾浓度较小，通风系统应向烟雾扩散方向送风，以减少回烟段长度，因为如果逃生时间长，烟雾冷却后弥漫到路面，能见度降低，可能会导致烟雾中毒。
根据烟雾浓度分析，只要中间有逃生通道，逃生時间不至过长，烟雾浓度对于人员逃生影响不大。
c）能见度
隧道内人体高度处（h=1.5m）能见度随火源距离变化情况见图2-41。从图中可以看出，能见度与烟雾的分布规律相似，在火源附近位置烟雾在拱顶处，人体高度处的能见度不受影响。在140m之外，受影响逐渐增大。从图中可以得出，风速1.5m/s时，在燃烧400s后，距离火源260m处，能见度降到10m以下，根据公式计算
（400s-160s）*1.2m/s+10m=298m>260m
所以能见度指标能够满足人员的逃生要求。
d）温度
隧道内人体高度处（h=1.5m）温度随火源距离变化情况见图2-48~图2-54。从图中可以看出，人体位置（h=1.5m）温度随着火源距离的增大，逐渐减小，距离火源20m后，每一时刻的温度分布趋于稳定。
通过比较可以得出，风流将火焰向下游吹动，使得下游某位置出现温度小高峰，然后温度随火源距离逐渐降低；而且随着风速的增加，温度也逐渐升高，在风速为零时，人体高度处（h=1.5m）温度是50℃左右，风速1.5m/s时，人体高度处（h=1.5m）温度达到了200℃，风速3m/s时，人体高度处（h=1.5m）温度达到220℃。所以机械通风对于上游人员逃生极为有利，对于下游逃生则影响很大，所以本项目将温度作为逃生的控制标准。
隧道火灾发生后，疏散人员所需要经过的疏散距离与火灾发生的地点有密切关系。当火灾发生在逃生救援通道口部时，可认为最长疏散距离为逃生救援通道口部间距；当火灾发生在逃生救援通道口之间时，可认为最长疏散距离为逃生救援通道口部间距的1/2。因此，隧道逃生救援通道口最大间距应小于或等于疏散人员最长疏散距离。
图2-43 风速1.5m/s时燃烧30s时温度分布
图2-44 风速1.5m/s时燃烧60s时温度分布
图2-45 风速1.5m/s时燃烧100s时温度分布
图2-46 风速1.5m/s时燃烧150s时温度分布
图2-47 风速1.5m/s时燃烧200s时温度分布
从风速1.5m/s温度变化图（图2-43~图2-47）可以看出，在300s时，隧道内温度几乎都接近或超过80℃，所以本项目以300s作为安全疏散控制时间。隧道为曲线时，由于曲线不利于烟气的蔓延，有利于下游人员的疏散，所以此控制标准也满足曲线隧道救援要求。在安全控制时间内，人员可能逃生的最长距离为：
L=（300-160）s×1.2m/s+10m≈178m
3.结论：所以在安全控制时间内，人员的最大逃生距离为178m，因此逃生楼梯相距150m是合适的。
参考文献：
【1】《港珠澳大桥珠海侧接线工程拱北隧道逃生通道设置方案研究》 北京交科公路勘察设计研究院有限公司
【2】《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》
【3】《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999）
【4】《道路隧道设计规范》（JTG D70-2004）
关键词:拱北隧道;逃生;救援方案;模拟
Abstract: In this paper, take the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, Zhuhai side wiring project Beaconsfield tunnel for example, take professional fire simulation software FDS for simulation of a layer with double-deck tunnel fire situations, according to the simulated smoke concentration, temperature, and visibility indicators Select the appropriate escape disaster relief programs. The simulation focused on the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, Zhuhai side wiring project Beaconsfield tunnel escape stairs scheme for simulation.Key words: Beaconsfield tunnel; escape; rescue plan; simulation
中图分类号：U45文献标识码：A
1.工程背景
1.1拱北隧道在路线中位置
港珠澳大桥珠海连接线是连接港珠澳大桥、珠海市以及内地其它地区的重要干线公路，也是珠海市重要的过境干线公路之一。拱北隧道位于起点与南湾互通之间，为香港前往珠江西岸的必经之路，在线路中具有通行唯一性的特点，也将成为澳门通往珠海重要途径， 见图2。
图拱北隧道位置
1.2拱北隧道预测交通量
根据《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》报告，澳门市和珠海市有关单位考虑在人工岛增设澳门与珠海之间互通的口岸，届时拱北隧道行驶车辆由两部分组成，即港珠澳大桥主线交通量中香港与内地交通出行和澳门与内地交通出行。交通量预测结果见表1。
表1本项目预测末年（2035年）交通量流量与服务水平表
附注：根据《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》表3-30 。
表1中起点-南湾互通交通量即为拱北隧道预测交通量。从表1中可以看出，拱北隧道预测的年平均日交通量达到了78230pcu/d，按照现行的《公路工程标准》，六车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量45000~80000辆，说明将来拱北隧道的交通量很大，在连接三地的交通网络中占有重要地位。
1.3车型比例
根据《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》表3-36。
表2拱北隧道車型比例预测结果
附注：根据《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》表3-36。
从表2中可以看出，在2016年，拱北隧道通行车辆车型中集装箱车是通行的主要车型，所占比例达到43.2%，另外特大货、大货比例达到了23.3%（19.0%+4.3%），将近1/4的比例，这说明在隧道交通流中大车的比例很高。随着年限的增加，虽然集装箱车、特大货、大货比例会有所下降，小客车比例逐渐上升，如表中所示，在2035年，集装箱车比例仍然达到了36.4%，特大货、大货比例达到14.1%（11.5%+2.6%），在交通流中仍然占有很大比例，所以在对隧道运营安全进行分析时，必须充分考虑隧道的这一交通量车型比例特性。
1.4柴油车与汽油车比例
依据《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》报告预测结果，将来拱北隧道货车中柴油车辆占有绝对优势，小客车中柴油车辆较少，但随着柴油品质的不断提升，柴油相对于汽油更加环保、经济，柴油车的比例也会逐渐提高。根据欧洲汽车经验，通过技术改造柴油车综合性能极大提升，其逐步成为被产业化应用的各种动力机械中热率最高、能量利用率最好、最节能的机型。尾气排放也能满足最新的环保要求，所以未来对拱北隧道的通风影响并不大。
1.5热释放率的确定
热释放率（HRR）体现了火灾中能量释放的多少，是描述火灾过程的一个重要参数。在运用火灾模拟程序进行定量计算时，失火隧道内的温度、烟气生成量等参数都是以此为基础进行计算的。热释放率的选择与通风设计的目的有关，对公路隧道的土建、设备投资、营运费用都有很大影响。世界各国对车辆火灾热释放率的相应规定见表2-11
表2-11 车辆火灾热释放率一览表
我国目前尚未对汽车热释放率作出明确规定。《公路隧道通风照明设计规范》中提到：隧道排烟风速2m/s~3m/s，是按一般隧道火灾，产生20MW的热量控制的排烟风速取值；对于汽油车相撞产生500MW以上的热量，排烟风速要求5m/s以上，如以此设计很不经济，建议特殊车辆通过隧道可定时并由引导车开道。
《道路隧道设计规范》推荐的用于确定隧道安全适用的最大火灾热释放率如表2-12所示。
表2-12 车辆的火灾热释放率
注：进入隧道的重型车在有监护措施的情况下，火灾热释放率可按降低一档考虑。
上海几座已建隧道的热释放率取用值见表2-13。
表2-13 上海隧道中火灾热释放率的取值
确定隧道火灾热释放率时，要考虑的因素很多，而且大部分是非定量化的，因此要全面的考虑各种因素，准确地预报或设定火灾规模是不容易的。通过对世界各国公路隧道火灾的调研，对于禁止或限制油罐车及装有易燃、易爆危险品车辆通过的隧道，其火灾规模的确定以小客车和货车作为对象，一般将火灾规模分为3个等级，分别是：
A级：1辆小客车着火（相当于60L汽油）；
B级：1辆货车着火（相当于150L汽油）；
C级：2辆货车相撞起火（相当于300L汽油）。
根据上述相关试验或研究成果提供的热释放率，A级火灾的火灾规模约5MW，B级火灾的火灾规模约20~30MW，C级火灾的火灾规模约50~100MW。
考虑到拱北隧道重要的交通地理位置，结合隧道预测交通量大、货车、集装车比例高等特点，同时参考相关规范以及借鉴相似项目经验，项目组认为拱北隧道运营火灾设计当量应选择为50MW。
2.隧道火灾模拟
根据初步设计拟定方案，若拱北隧道采用双层方案，则隧道结构中没有普通隧道逃生用的横通道，需要设计不同的逃生救灾方案，这成为整座隧道防灾的重中之重。火灾产生的高温烟气在移动过程中，向周围不断辐射热量，对人员、结构造成损伤；同时由于火风压的作用，导致隧道内通风系统紊乱；浓烟使得隧道内的能见度降低，造成人员疏散时间延长，增大风险系数；含有有毒气体的烟雾会损害人的视力。因此，隧道火灾的危害性极大。
2.1双层隧道逃生通道设置
普通隧道的逃生救援主要采用在两平行隧道间设置横通道的方式，当火灾发生时，一侧车辆和人员可及时转移到另一隧道逃生。双层隧道不能像普通隧道那样设置横通道，国内外的做法主要是设置逃生滑梯，如武汉长江隧道、日本东京湾海底隧道等，或设置逃生楼梯，如崇明岛越江通道等以及专门用于单管隧道逃生救援的逃生竖井。
目前国内外工程界对于隧道间横通道设置间距并没有统一标准，只是针对具体工程具体分析。国内工程规范中也仅给出矿山法下公路隧道横通道设置的参考值250～500 m以及城市水下交通隧道规定的限值250～300 m。
本次模拟主要针对北京交科公路勘察设计研究院有限公司在《港珠澳大桥珠海侧接线工程拱北隧道逃生通道设置方案研究》中的逃生楼梯方案进行模拟。
2.2模拟情况说明
为对双层隧道内逃生救灾方案进行比较，项目组采用专业火灾模拟软件FDS对双层隧道中某一层发生火灾情形进行模拟，根据模拟出的烟雾浓度、温度以及能见度等指标，选择合适的逃生救灾方案。
本次模拟将通过火灾模拟软件FDS进行隧道火灾建模，收集发生火灾时隧道内的温度、能见度与CO浓度的变化情况，从而得到危险条件临界时间Tfire。通过分析隧道人员的疏散特征，确定人员安全疏散时间Tevacuate，将危险条件临界时间与人员安全疏散时间进行比对，以Tfire>Tevacuate为安全判定标准，从而确定设计火灾当量下，双层隧道中逃生方案的合理性。
a）模拟软件
本模拟采用专用火灾模拟软件FDS进行模拟。FDS软件是由美国标准与技术研究所（NIST）开发的，用于预测在拟定的最不利的可信设计火灾下所导致的火灾环境。FDS是以大涡模拟（LES）为基础的三维计算流体动力学软件（CFD），可以模拟火灾湍流流动过程。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。由于FDS程序是开放的，其准确性得到了大量试验的验证。因此，在火灾科学领域得到了广泛的应用，现主要应用于隧道（公路、铁路）、机场、剧院、核电厂及大型厂房等的火灾及预防的数值模拟，是火灾场景模拟的主要软件。
b）模型
FDS基本形状只能采用长方体，由于双层隧道采用明挖时结构接近长方体，所以采用FDS模拟是可行的。
隧道长度采用1000m，断面尺寸采用设计资料中尺寸，模型网格采用1×1×1m，火灾当量采用50MW，隧道内风速分1.5m/s和3m/s进行模拟，考虑到城市隧道的重要性、交通组成复杂、交通量大以及发生火灾时现场混乱等特点，模拟的场景是发生火灾后，下游发生交通阻滞，有人员向下游逃生的情景。
模型见图2-32，模型内景见图2-33。
图2-32 火灾模型
图2-33 隧道内景
2.3人员逃生判据及时间
a）人员疏散速度
各类人员的平面行走速度取值：成年男性，1.25 m/s；成年女性，1.0 m/s；儿童，0.80 m/s；老人，0.60 m/s。人流平均行走速度为0.98 m/s，约为1.0 m/s。考虑到火灾发生时，由于即将受到惡劣环境威胁，疏散人员可能加快步速甚至奔跑，同时考虑到人员惊恐、疲劳等因素，认为疏散人员进入逃生救援通道前的疏散速度为1.20～2.00 m/s。此外，研究表明，能见度的降低对人员疏散速度有一定程度的影响，当能见度低于可承受标准（5 m）时，人员在隧道内疏散速度约降低至0.50 m/s。所以人员疏散速度取为1.2m/s。
b）人员体积
根据文献资料人员体积数值可取为：成年男性，0.52 m(宽)×0.32 m(厚)×1.75 m(高)；成年女性，0.46 m(宽)×0.28 m(厚)×1.65 m(高)；儿童，0.38 m(宽)×0.24 m(厚)×1.20 m(高)；老人，0.48 m(宽)×0.30 m(厚)×1.60 m(高)。
c）疏散通道有效宽度
有效宽度是疏散通道被实际利用的那部分宽度。由于隧道两侧可能放置一些障碍物；人员沿隧道行走时，出于本能也总是习惯于与边墙保持一定的距离；此外人员在行走时，摆动的双臂，也要求与边墙保持一定的距离，因此在疏散通道或出口的边界存在一个不能被人员疏散利用的边界层。在进行疏散计算时应扣除边界层的宽度。研究结果表明，疏散通道的有效宽度，是从距离边墙150～200 mm处算起。
d）人员逃生时间Tevacuate
从火灾发生到人员疏散结束，一般要经过三个时间段：探测时间Tdct、反应时间Tresponse以及行动时间Ttravel。因此从火灾发生到人员全部疏散为止，其总的疏散时间为
Tevacuate=Tdct+Tresponse+Ttravel（1）
人员疏散的安全性基本判据为
Tfire＞Tevacuate（2）
在隧道中每个可能受到火灾威胁的区域都应满足式(1)和(2)。可以看出， Tfire越大，Tevacuate越小，则人员安全性越大，反之，安全性越小，甚至不能安全疏散。
从大量行为反应统计研究可知，由于着火车辆内人们可很快直视火源，其探测及行为反应总时间可取平均值为60 s，取着火车辆内人员探测及行为反应总时间为60s。离车门最远的人员疏散时间在座椅密集的车辆内，人的行走比较困难。不同人的行为特点不同，本文以正常人情况考虑。研究表明，人员在车内的疏散速度为0.2～0.4 m/s。则在大巴车内最后人员的疏散时间为50s~100s。这样人员从探测火灾到逃离车辆的时间约为110s~160s之间。
2.4危险条件临界时间
由于人在烟气中的能见度下降，人们被迫在高温和含有毒气体的环境中延长疏散时间。对于隧道这种狭长空间，可取10m作为人眼特征高度处烟气危险临界能见度。当烟气界面下降到人眼特征高度时，对人的危害将是直接烧伤或吸入热气体引起的。当温度≤80℃时人员有生存可能性；温度＞80℃具有潜在危险甚至死亡，因此可用80℃作为人眼特征高度处烟气危险临界温度。当界面低于人眼特征高度时，也可根据其中有害燃烧产物的临界浓度判定是否达到了危险状态，例如当CO浓度达到2500×10－6就可对人构成严重危害。
取以上3个临界条件中最先达到的那一项作为隧道火灾危险临界条件判据，根据相关文献资料，取1.5m为人眼特征高度平均值。
由危险条件临界时间可从FDS模拟结果中计算出Tfire。
2.5模拟结果
a）临界风速
如果通风量足够，则将所有的热气流流向下风方向；如果风量不足，上层的热风流将相反于机械通风的方向流动，这种现象即为“回流现象”。为避免产生回流现象，使火灾烟雾顺着下游方向扩散的最小风速称为“临界风速”。
通过FDS模拟结果，风速在3m/s时，不会出现烟雾“回流现象”，所以认为3m/s可以作为临界风速，见图2-34~2-37。
图2-34 风速v=3m/s，t=30s时烟雾弥漫图
图2-35 风速v=3m/s，t=80s时烟雾弥漫图
图2-36 风速v=3m/s，t=100s时烟雾弥漫图
图2-37 风速v=3m/s，t=200s时烟雾弥漫图
b）CO浓度与烟雾浓度
由于FDS中烟雾浓度与CO浓度存在一定的比例关系，因此可以采用烟雾浓度间接反映CO浓度，烟雾随时间的弥漫见图2-38~图2-42。
图2-38 风速v=1.5m/s，t=30s时烟雾弥漫图
图2-39 风速v=1.5m/s，t=60s时烟雾弥漫图
图2-40 风速v=1.5m/s，t=100s时烟雾弥漫图
图2-41 风速v=1.5m/s，t=150s时烟雾弥漫图
图2-42 风速v=1.5m/s，t=200s时烟雾弥漫图
隧道内人体高度（h=1.5m）烟雾浓度随火源距离变化情况见图2-40。从图中可以看出，火灾后，在人体高度1.5m处，火源附近烟雾浓度很小，说明在火源附近以火焰燃烧充分，烟气主要沿隧道拱顶蔓延，人体高度处烟雾浓度较小，通风系统应向烟雾扩散方向送风，以减少回烟段长度，因为如果逃生时间长，烟雾冷却后弥漫到路面，能见度降低，可能会导致烟雾中毒。
根据烟雾浓度分析，只要中间有逃生通道，逃生時间不至过长，烟雾浓度对于人员逃生影响不大。
c）能见度
隧道内人体高度处（h=1.5m）能见度随火源距离变化情况见图2-41。从图中可以看出，能见度与烟雾的分布规律相似，在火源附近位置烟雾在拱顶处，人体高度处的能见度不受影响。在140m之外，受影响逐渐增大。从图中可以得出，风速1.5m/s时，在燃烧400s后，距离火源260m处，能见度降到10m以下，根据公式计算
（400s-160s）*1.2m/s+10m=298m>260m
所以能见度指标能够满足人员的逃生要求。
d）温度
隧道内人体高度处（h=1.5m）温度随火源距离变化情况见图2-48~图2-54。从图中可以看出，人体位置（h=1.5m）温度随着火源距离的增大，逐渐减小，距离火源20m后，每一时刻的温度分布趋于稳定。
通过比较可以得出，风流将火焰向下游吹动，使得下游某位置出现温度小高峰，然后温度随火源距离逐渐降低；而且随着风速的增加，温度也逐渐升高，在风速为零时，人体高度处（h=1.5m）温度是50℃左右，风速1.5m/s时，人体高度处（h=1.5m）温度达到了200℃，风速3m/s时，人体高度处（h=1.5m）温度达到220℃。所以机械通风对于上游人员逃生极为有利，对于下游逃生则影响很大，所以本项目将温度作为逃生的控制标准。
隧道火灾发生后，疏散人员所需要经过的疏散距离与火灾发生的地点有密切关系。当火灾发生在逃生救援通道口部时，可认为最长疏散距离为逃生救援通道口部间距；当火灾发生在逃生救援通道口之间时，可认为最长疏散距离为逃生救援通道口部间距的1/2。因此，隧道逃生救援通道口最大间距应小于或等于疏散人员最长疏散距离。
图2-43 风速1.5m/s时燃烧30s时温度分布
图2-44 风速1.5m/s时燃烧60s时温度分布
图2-45 风速1.5m/s时燃烧100s时温度分布
图2-46 风速1.5m/s时燃烧150s时温度分布
图2-47 风速1.5m/s时燃烧200s时温度分布
从风速1.5m/s温度变化图（图2-43~图2-47）可以看出，在300s时，隧道内温度几乎都接近或超过80℃，所以本项目以300s作为安全疏散控制时间。隧道为曲线时，由于曲线不利于烟气的蔓延，有利于下游人员的疏散，所以此控制标准也满足曲线隧道救援要求。在安全控制时间内，人员可能逃生的最长距离为：
L=（300-160）s×1.2m/s+10m≈178m
3.结论：所以在安全控制时间内，人员的最大逃生距离为178m，因此逃生楼梯相距150m是合适的。
参考文献：
【1】《港珠澳大桥珠海侧接线工程拱北隧道逃生通道设置方案研究》 北京交科公路勘察设计研究院有限公司
【2】《港珠澳大桥珠海连接线交通量分析深化研究》
【3】《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999）
【4】《道路隧道设计规范》（JTG D70-2004）